一种半分布式中继节点分配方法 【技术领域】
本发明涉及无线通信领域，是解决具有多信源、多中继协作通信网络中继节点分配问题的有效方法。
背景技术
众所周知，接收信号的功率随着传输距离的增大呈指数衰减，在发射功率一定的情况下，小区边缘用户的信噪比较低，所以能达到的信息速率较小。第四代移动通信系统要求很高的信息速率，给用户提供可靠的服务，因此进一步提高用户的信息速率尤其是小区边缘用户的信息速率将是无线通信所面临的重要问题。协作通信技术可以解决上述问题，通过中继节点在用户与基站之间转发信息，可以有效地扩大小区覆盖范围和提高小区边缘用户的信息传输速率。因此，协作通信技术一直是通信界研究的热点问题，其中中继节点的分配是协作通信系统中面临的首要问题。中继节点的分配决定用户与哪个中继节点进行协作，在进行中继节点的分配时，优化目标一般为在保证公平性的前提下提高网络的容量。中继节点的分配算法主要有集中式算法与半分布式算法。对于集中式算法，它有一个中心控制器，且需要全部的信道信息，但是当网络节点较多时，这类算法的复杂度太高，在实际通信中并不可行。与集中式算法相比，半分布式算法也需要一个中心控制器，但中心控制器只需要知道部分信道信息，并且可以采用复杂度较低的中继节点分配算法。近些年对中继节点分配方法的研究主要在单信源、多中继节点的场景下进行的，针对更具一般意义的多信源、多中继网络的研究成果还比较少。
【发明内容】
本发明提出一种半分布式中继节点分配方法，主要内容如下：
协作通信网络的中继节点确定其可行信源集合的方法。考虑经典的译码-前传(DF，Decode-and-Forward)中继模型：包含一个信源s，一个中继节点r以及目的节点d。信源s以帧为单位发送数据，每帧包含两个时隙。在每帧的第1个时隙，s发信息，r与d接收信息，中继节点r对第一个时隙接收到的信息进行译码。在第2个时隙，中继节点r将译码信息进行重复编码后发给目的节点d。在上述模型中，单位带宽的最大信息速率的表达式为：其中βsr表示从信源到中继节点的信道增益，βsd为信源到目的节点的信道增益，βrd表示中继节点到目的节点的信道增益，σ2为高斯白噪声的方差。Ps，Pr分别表示信息源与中继节点的发射功率。本发明不考虑功率分配问题，设网络中每个节点发射功率相同，即满足Ps＝Pr＝P。如果信源采用直接传输模式，即不采用协作通信技术，将所有时隙都和功率都分配给信源，则此时的最大信息速率可以表示：值得注意的是，使用中继节点r并不一定能使信源与目的节点间的最大信息速率提高，在发射功率一定的情况下，选用某些中继节点反而会使信源-目的节点间最大信息速率下降。因此，若中继节点r对信源s可行，需满足即其中为发射信噪比。化简后可得中继节点r对信源s可行的条件为：中继节点对信源可行，即相对于信源直接传输信息到目的节点，使用该中继节点可以提高信源与目的节点间的最大信息速率。在多信源、多中继协作通信网络中，每个中继节点根据上述条件，确定其可行的信源集合。设网络中信源的集合为S，则对于中继节点r，其可行的信源集合Γr可由以下操作获得：其中Cns，Cms为对于信源s，中继节点是否可行的两个判决门限。
中继节点对其可行信源集合中的信源的排序方法。对于中继节点r，按照信源使用该中继节点后所能达到地信源-目的节点间最大信息速率的大小对其可行的信源集合中的信源进行降序排列，最终得到排序后可行的信源集合Γrlast。在集合Γrlast中，排在前面的信源具有较高的使用该中继节点的优先级。
多信源、多中继协作通信网络中继节点分配方法。中心控制器(一般在目的节点处)依照每个信源与目的节点之间的信道条件确定为信源分配中继节点的顺序，优先为相应信道增益小的信源分配中继节点。由于每个中继节点只能服务一个信源节点，所以在多信源、多中继协作网络中可能会出现信源竞争中继节点的情况，为信道增益小的信源优先分配中继节点，可以在一定程度上保证信源间的公平性。中心控制器利用从每个中继节点得到的Γrlast的信息，依次对信源分配中继节点，对于某个信源，具体分配方法如下：查看该信源在所有中继节点可行信源集合中的优先级，选出所处优先级最高的集合，把与之对应的中继节点分配给该信源；若不存在这样的集合，则该信源选择直接传输；若存在多个这样的集合，则将这些集合中势最小的集合所对应的中继节点分配给该信源，当势最小的集合的数目大于1时，随机挑选一个势最小的集合并将其对应的中继节点分配给该信源。
【附图说明】
图1本发明实施中每个中继节点可行信源集合的获取及其排序流程；
图2本发明实施中网络中心控制器的操作流程；
图3本发明所提中继节点分配算法的性能仿真。
【具体实施方式】
对协作通信网络中的信源与中继节点分别编号为1，2…S、1，2…R，其中S，R分别代表网络中信源的数目及中继节点的数目。
步骤101，网络中的信源在不同的时隙发送请求信息(RTS，Require-to-Send)到目的节点，用以请求和目的节点同步及建立链接。对于标号为s的信源，目的节点根据其接收到的信源s的RTS信息，可以估计出相应的信道增益βsd。
步骤102，根据收到的RTS信息，目的节点向信源发送一个确认信息(CTS，Clear-to-Send)，其中包含信源-目的节点间信道的估计值以及一些其它的信息。
步骤103，中继节点根据接收到的信源的请求信息与目的节点的确认信息进行信道估计。对于标号为r的中继节点及标号为s的信源，中继节点可以估计出相应的βsr，βrd，并根据确认信息中βsd的值计算出门限值Cns，Cms，进而确定中继节点r对信源s是否可行。
对于一个具有多信源、多中继的协作网络，基于以上过程，每个中继节点可以确定其可行的信源集合。
步骤104，每个中继节点对其可行集合中的信源进行排序。对于标号为r的中继节点，若min{βir，βrd+βid}＞min{βjr，βrd+βjd}，信源i具有更高的使用中继节点r的优先级，应排在信源j的前面，其中Γr表示中继r可行的信源集合。中继节点按照以上排序方式对其可行信源集中的信源进行排序，并将排序后的可行信源集合Γrlast发送给网络的中心控制器。
网络中心控制器依次为信源分配中继节点，主要由以下步骤完成：
步骤201，中心控制器根据每个中继节点发送的排序后的可行信源集合，构造效用矩阵FS×R＝[fi，j]，fi，j表示对于中继节点j可行的优先级为i的信源的编号。若fi，j＝0，则表示该中继节点可行的信源的个数小于j，若FS×R中的元素均为零，协作网络中的所有信源选择直接传输。
步骤202，中心控制器根据各个信源到目的节点的信道增益的大小对信源进行降序排序，优先为排在前面的信源分配中继，而后，依次对信源分配中继节点。
步骤203：对一个编号为s的信源分配中继节点时，中心控制器搜索效用矩
if fi，j＝s阵FS×R，按照以下准则得到集合Ωs： then fi，j∈Ωs。
步骤204：如果得到的Ωs为空，则该信源最优的传输方式就是选择直接发送，跳至步骤203，对下一个信源分配中继节点。如果Ωs不为空，先找出集合Ωs中行标号最小的元素，分以下两种情况讨论：1，如果仅有一个元素符合上述要求，则将其对应的中继节点分配给该信源，跳至步骤205；2，如果有多个元素符合上述要求，则选出此时这些元素所对应的中继节点中可行信源集的势最小的中继节点，将其分配给该信源，跳至步骤205，此时如果多个中继节点满足可行信源集的势最小的条件，则在这些中继节点中随机选取一个分配给该信源，跳至步骤205。
步骤205：如果将中继节点r分配给信源s，中心控制器更新效用矩阵FS×R，将FS×R中对应于中继节点r的列中的元素置零，而后查找FS×R中是否还有值为s的元素，若存在这样的元素fi，j(1≤i≤S，1≤j≤R)(可能存在多个)，则进行以下操作：如果i＜S且fi+1，j≠0，则否则fi，j＝0。
步骤206：更新得到的FS×R中如果存在非零元素，中心控制器根据之前对信源的排序，回到步骤203，并根据FS×R开始为下一个信源分配中继节点；否则，中心控制器完成中继节点分配。
性能分析
仿真采用只有一个目的节点的协作通信网络，该网络覆盖半径为500m。目的节点位于小区中心处，信源在距离目的节点[450m 500m]的范围内随机分布，中继节点在小区的整个覆盖范围内随机分布。两节点之间的信道增益由路径损耗与衰落决定，即其中dij-γ表示节点i，j之间的路径损耗，dij表示节点i，j之间的距离，γ为路径损耗因子，在仿真中设置为2。衰落系数ζij服从方差为1的瑞利分布。
仿真中用于对比的算法均为基于公平性的算法，即优先为信源-目的节点间信道增益小的信源分配中继节点。在对某信源进行中继节点分配时，集中式分配算法利用全局信息，分配给该信源服务质量最好的中继节点(即使用该中继节点后信源-目的节点间最大信息速率的增量最大)，而随机分配算法则随机挑选对该信源可行的中继节点。
图3为中继节点数为20，信源数为50时系统容量增加量随发射信噪比的变化趋势。由图3可以看出，当发射信噪比较低时，本发明所提中继节点分配方法的性能接近集中式中继节点分配方法。这是因为对于多信源网络，当发射信噪比较低时，信源争抢中继节点的现象更为严重，此时中继节点就成为了稀缺资源。而本发明所提出的中继节点分配方法可以很好的利用每个中继节点，所以在信噪比较低时性能较好，因此，适合于提高小区边缘用户的信息传输速率。